by Aura M. Barría

The current biodiversity crisis, induced by anthropogenic-driven global changes, is projected to lead 1 million species to extinction in the coming decades, according to the last report on the state of the world’s ecosystems by the Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES). When looking at the history of life on Earth, extinction is business-as-usual and, together with evolution and dispersion, it acts promoting species turnover: the low rates of background extinctions have actually helped shaping the diversification of life forms. But when the rate of species’ extinctions increase during relatively short periods of time, they become mass extinctions, which are of major concern for biodiversity. Currently, scientists agree that our planet is in the midst of its Sixth Mass Extinction. In fact, the current rate of extinction is estimated to be about 100 to 10,000 times Earth’s regular pace.

Nature powers human endeavors, underpinning productivity, culture and even beliefs and identities. This said, our economies, livelihoods, food security, health and quality of life are under threat due to global change. We are exploiting natural resources faster than they can recover. For example, over almost one million years, our oceans have offered a stable environment to an enormously wide variety of life forms, but currently, marine organisms are facing environmental changes that challenges their physiological capacities, as oceans are getting warmer, more acidic and with less dissolved O2 (for details on marine past extinctions see paper of Harnick et al. 2012 in Trends Ecol Evol). The consequences of these environmental disturbances span from changes in the distribution of populations after migrations or local extinctions to the global extinction of species.

Much effort has been done in the last decades to anticipate the response of organisms to the ongoing changes, and particularly to assess its vulnerability to extinction by identifying the role of the environment in shaping the life-history, morphological and physiological characteristics of populations and species. Yet, species are embedded into networks of ecological interactions, and therefore they can go extinct not only because of abiotic triggers, but also because of the ecological crisis resulting from the re-assembly of communities as some species succumb and others expand their range. In a community, primary extinctions can result in the secondary extinction of other species, because of their interconnectedness in ecosystems. If a primary extinction affects a pivotal species, for example, it can be followed by the loss of multiple interdependent species, as is the case for extinction cascades.

Understanding how and why extinction cascades occur, following the removal of a species with narrower environmental tolerance, and predicting which species will be involved remain an important challenge in contemporary ecological theory. In the last decades, researchers have developed and applied the theoretical framework of species distribution models, also referred to as climate envelope-modeling, habitat modeling, and environmental or ecological niche-modeling. By correlating the records of occurrence of a species (or its physiological tolerances) with data of environmental predictor variables at these locations, these models estimate the areas where a species can persist and then predict the locations where it will be found, given the future climatic scenarios. As a recent improvement, these models can now account for the effect of ecological interactions among species to track its turnover in space and time. Ongoing extinctions would provide data to parameterize this model, but still we will not be able to delimit general patterns on the probability or occurrence of extinction cascades affecting marine ecosystems. This information gap can be filled in using recurring patterns occurred during past extinction events. From the last five mass extinctions, the last three, at the end of Permian, Triassic and Cretaceous, were characterized by combined alterations in the atmospheric and oceanic chemistry, climate change and decrease in oxygen levels in the deeper ocean. These events, which are somewhat similar to what Earth is now experiencing, triggered dramatic environmental changes, which caused the loss of between 75% and 90% of extant biodiversity. 

A wide range of research questions involving biological systems can be answered by integrating data of ancient biological interactions among organisms, recorded in the geologic past of marine ecosystems, and paleoclimatic data. Is the strength of biological interactions determined by the challenges that the abiotic environment impose? To which extent can community richness prevent a cascade extinction? Which species are those that trigger other species loss once they are extinct? How easy it can be for a pivotal key species to resist environmental change before becoming extinct and lead the extinction of communities? Are there environments that promote cascade extinctions? The analysis of fossil record dataset, along with theoretical advances in distribution models and hypothesis-driven research, have the potential to improve our understanding of how extinctions of species will occur in the coming decades and its impact on future biological diversity. 

With extinction rates at their highest levels ever, and numerous species under threat due to human activity, it is of great importance to somehow anticipate the fate of biodiversity both for ecosystems conservation and management. But most importantly, it is necessary to raise concern about the fact that we should change our economic policies based on the exploitation of natural resources if we want to avoid a negative domino effect that would lead to an even greater loss in species. In the last two/three decades, scientists have focused on modelling the impacts of ongoing environmental changes on the distribution of species. Currently, the effort has moved toward projecting the fate of biodiversity while identifying patterns and triggers of the upcoming extinction. 

———-

Predecir el destino de la biodiversidad con datos de extinciones masivas pasadas

Según el último informe sobre el estado de los ecosistemas del mundo de la Plataforma Intergubernamental de Ciencia-Política sobre Biodiversidad y Ecosistemas Servicios (IPBES), se espera que la crisis actual de biodiversidad inducida por el cambio global conduzca a la extinción de un millón de especies en las próximas décadas. Al observar la historia de la vida en la Tierra, las extinciones son habituales y, junto con la evolución y la dispersión de las especies, promueven el recambio de organismos. De hecho, las bajas tasas de extinción que se presentan continuamente en la naturaleza, han sido el motor de la diversificación de las formas de vida en nuestro planeta. Pero cuando la tasa de extinciones de especies aumenta durante períodos de tiempo relativamente cortos, se convierten en extinciones masivas con un impacto enorme sobre la biodiversidad. Actualmente, los científicos coinciden en que nuestro planeta se encuentra en medio de su sexta extinción masiva. Por ejemplo, la tasa actual de extinción de especies se estima en alrededor de 100 a 10.000 veces el ritmo regular de la Tierra.

La naturaleza impulsa las actividades humanas, sustentando la productividad, la cultura, e incluso las creencias e identidades. Por lo tanto, la crisis global climática amenaza nuestras economías, modos de vida, seguridad alimentaria, salud y bienestar. Los recursos naturales se explotan y consumen más rápido de lo que pueden recuperarse. Por ejemplo, durante casi un millón de años, los océanos han ofrecido un entorno estable a una enorme variedad de formas de vida, pero actualmente, a medida que los océanos se vuelven más cálidos, más ácidos y con menos O2 disuelto, los organismos marinos se enfrentan a cambios ambientales que desafían sus capacidades fisiológicas (para detalles sobre extinciones marinas pasadas ver el artículo de Harnick et al. 2012 en Trends Ecol Evol). Las consecuencias de estas perturbaciones ambientales abarcan desde cambios en la distribución de las poblaciones debidos a migraciones o extinciones locales, hasta la extinción global de especies.

En las últimas décadas, se ha realizado un gran esfuerzo para predecir la respuesta de los organismos a los cambios ambientales en curso, y en particular para evaluar su vulnerabilidad a la extinción, identificando el rol del ambiente sobre las características biológicas, morfológicas y fisiológicas de las poblaciones y especies. Sin embargo, las especies están integradas en redes de interacciones ecológicas y, por lo tanto, pueden extinguirse no sólo debido a factores abióticos, sino también debido a la crisis ecológica resultante del re-ensamblaje de comunidades, a medida que algunas especies sucumben y otras expanden su distribución. En una comunidad, las extinciones primarias pueden resultar en la extinción secundaria de otras especies, debido a su interconexión en los ecosistemas. Por ejemplo, la extinción primaria de una especie clave puede ser seguida por la pérdida de múltiples especies interdependientes, como es el caso de las extinciones en cascada.

Un desafío importante en la teoría ecológica contemporánea, es comprender cómo y por qué se presentan las extinciones en cascada, después de la eliminación de una especie con una tolerancia ambiental más reducida, y predecir qué especies se verán más afectadas. En las últimas décadas, los investigadores han desarrollado y aplicado el marco teórico de modelos de distribución de especies, también conocidos como modelos de nicho ambiental o ecológico. Estos modelos predicen los lugares donde una especie se encontrará, dado el escenario de clima futuro, al correlacionar los registros de ocurrencia de esa especie (o sus tolerancias fisiológicas) con datos de variables predictoras ambientales en un ecosistema. Adicionalmente, a estos modelos se pueden incorporar el efecto de las interacciones ecológicas entre especies para proyectar su recambio en el espacio y el tiempo. Las extinciones en curso pueden proporcionar datos para implementar estos modelos, pero sin delimitar los patrones generales sobre la probabilidad u ocurrencia de las extinciones en cascada que afecten a los ecosistemas marinos. Este vacío de información se puede llenar, utilizando patrones recurrentes durante eventos de extinción pasados. De las últimas cinco extinciones masivas, las últimas tres, al final del Pérmico, Triásico y Cretáceo, se caracterizaron por alteraciones combinadas en la química atmosférica y oceánica, el cambio climático y la disminución de los niveles de oxígeno en las profundidades del océano. Estos eventos, que son algo similares a lo que está experimentando la Tierra ahora, desencadenaron cambios ambientales dramáticos que causaron la pérdida de entre el 75% y el 90% de la biodiversidad existente.

Integrando datos de interacciones biológicas entre organismos, registrados en el pasado geológico de los ecosistemas marinos, y datos paleoclimáticos, se puede responder a una amplia gama de preguntas de investigación. ¿Es la fuerza de las interacciones biológicas determinada por los desafíos que impone el entorno abiótico? ¿En qué medida la riqueza comunitaria puede prevenir una extinción en cascada? ¿Qué especies son las que provocan la pérdida de otras especies una vez que se extinguen? ¿Qué tan fácil es para una especie clave, el resistir el cambio ambiental antes de extinguirse y liderar la extinción de las comunidades? ¿Hay entornos que promueven las extinciones en cascada? El análisis de datos de registros fósiles, junto con los avances teóricos en los modelos de distribución y la investigación basada en hipótesis, tienen el potencial de mejorar nuestra comprensión de cómo ocurrirán las extinciones de especies en las próximas décadas y su impacto en la diversidad biológica futura.

Con las tasas de extinción en sus niveles más altos y con numerosas especies amenazadas por las actividades humanas, es fundamental anticipar de alguna manera el destino de la biodiversidad tanto para la conservación como para el manejo de los ecosistemas. Pero lo más importante es que, es necesario generar preocupación sobre el hecho de que debemos cambiar nuestras políticas económicas basadas en la explotación de los recursos naturales para evitar un efecto dominó negativo que conduzca a la pérdida de más de especies. En las últimas dos o tres décadas, los científicos se han centrado en modelar los impactos de los cambios ambientales sobre la distribución de especies. Actualmente, el esfuerzo se ha enfocado en determinar el futuro de la biodiversidad, identificando patrones y desencadenantes de la próxima extinción.

This text was gently reviewed by Olga María Pérez Carrascal

Photo credit : Marisol Cumsille

Aura M. Barría is a Marine Biologist with a PhD in Ecology and Evolution (Universidad Austral de Chile, Valdivia, Chile). Her research has focused on linking evolutionary and biogeographical patterns of physiological performances of ectotherms species, to predict their distribution under global changes. Currently, she has a postdoctoral position at the Marine Eco-Evolutionary Physiology Laboratory with Dr. Piero Calosi at the Université du Québec à Rimouski (UQAR) in collaboration with Dr. Dominique Gravel at the Université de Sherbrooke and Richard Cloutier, also at UQAR. She is working into estimating direct effects of environmental change on species abundance and distribution, indirect effects of changes in species interactions, the strength and environmental sensitivity of interactions, and the potential for novel communities composition.